基于SPWM的小型风电逆变系统的建模与仿真研究

赵钢，胡凯

（天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室,天津300384)

新能源的开发利用已成为当今世界的研究热点，风能作为清洁、安全、可靠的可持续能源，发展风力发电对我国国民经济具有重大意义[1]。小型风力发电机一般将风力发电机发出的电能通过蓄电池储能，再供给用户使用。如用户需要交流电，则需在蓄电池与用户间加装逆变器。逆变是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的技术。高性能逆变系统要求满足：高逆变效率，高速动态响应，高稳态精度，高稳定性及高智能化[2-3]。

1 风电系统的主要结构与逆变器主电路选择设计

风力发电系统主要由风力发电机、整流器、蓄电池、升压变换电路、逆变电路、控制器和负载等组成[4]。

风力发电系统的结构如图1所示，系统主要由两部分组成，即发电环节与逆变环节。控制器实现对蓄电池的充电管理和逆变控制。风力发电机输出经全桥整流后对蓄电池充电，小型风力发电系统中蓄电池组的容量一般选取110 V，当蓄电池充满电后，控制器根据检测到的充电电流信号将充电电路切入到卸荷负载回路，以避免过度充电对蓄电池的危害以及风力机的飞车问题[5]。而逆变环节实现的则是向负载提供交流电。本文主要研究将蓄电池输出的110 V直流电转化为220 V/50 Hz的交流电输出的逆变环节的设计。

图1 风力发电系统结构图

根据升压方式的不同，可将逆变器主电路分为3类，即：工频变压器形式逆变器、无变压器形式逆变器、高频变压器形式逆变器[6-10]。

图2为工频变压器形式逆变器主电路，由逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器组成。这类逆变器都是采用工频变压器使输入输出隔离，前级电路采用推挽式结构，它结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。但工频变压器的存在使得逆变器的体积和重量大、音频噪声高且价格较贵，并且逆变器响应速度较慢，波形畸变比较严重，而且带非线性负载的能力较差。

图2 工频变压器形式主电路图

图3为无变压器形式逆变器主电路，包括升压部分和工频逆变部分，比工频形式逆变器的主电路要复杂一些。这类逆变器不采用变压器进行输入、输出间的隔离。由于没有采用变压器，所以这种逆变器的体积小、重量轻。适合于直流输入电压较高的场合。

图3 无变压器形式主电路

图4为高频变压器形式逆变器主电路，是由逆变器、高频变压器、高频整流器、工频逆变器以及输入、输出滤波器构成。这类逆变器是采用高频变压器使输入输出隔离。用高频变压器代替了工频变压器形式逆变器中的工频变压器，从而克服了工频形式逆变器体积和重量大的缺点，显著提高了逆变器的性能。逆变器的工作原理是先将直流电压逆变成方波交流电，然后再经过高频变压器的升压以及整流滤波得到另一种形式的直流电压，此电压再经过工频逆变器逆变，将其变换成工频电压来满足负载的需要。

图4 高频变压器形式主电路

根据本设计的应用背景及相关电路特点，逆变器主电路采用了如图4所示的高频变压器形式的主电路，输入、输出间加入高频变压器。电路中输入为110V DC,输出为220V AC 50Hz。

2 小风电逆变控制策略选择及其原理分析

根据控制方式不同，电压反馈控制可以分为电压平均值反馈控制和电压瞬时值反馈控制。

电压平均值反馈控制是以输出正弦波整流后的波形平均值作为控制量，来实现对逆变器的控制。这种控制策略的特点是简单，即将输出电压整流平均值与电路给定值相减以获得输出电压平均值误差，再对其进行比例积分调节后与标准正弦波相乘，从而得到调制波进而产生PWM波形。电压平均值反馈控制由于对输出电压波形不敏感、且动态特性差而较少使用[11]。

电压瞬时值控制是将逆变器输出的电压瞬时值按比例缩减后，直接与标准正弦形状的逆变器输出基准电压相减，以得到瞬时的输出电压误差，然后再对此误差进行PI调节，并将其作为调制波再与三角载波进行比较以得到SPWM脉冲。由于跟踪的是瞬时电压的变化，使输出波形畸变降低，因而应用广泛[12]。其电压瞬时值反馈控制原理框图如图5所示。

图5 电压瞬时值反馈控制原理图

3 仿真模型的建立

本文设计的电压反馈型逆变系统的仿真模型如图6所示。

图6 电压反馈型逆变系统的仿真模型

仿真模型设计思路：前级逆变过程，2个开关管用两路互补的PWM控制。PWM1与PWM2用Pulse Generator模块代替。2个触发信号周期设定为0.02 s，占空比为0.5，二者相位相差0.01 s。PWM1用来触发IGBT1，PWM2触发IGBT2，由此110 V直流电逆变为方波交流电。升压变压器Linear Transformer采用高频变压器，由于高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，故需要增加滤波电容C1来减少高频变压器对系统带来的影响。变压器的变比为3.18:1,频率设定为20 kHz，输出电压经不控整流与LC滤波，变为350 V的直流电。后级逆变过程，用电压反馈环节产生的SPWM信号触发逆变器模块（Universal Bridge/开关器件选用IGBT）,输出电压经滤波后即为所需的220 V/50 Hz的交流电。

电压瞬时值反馈环节如图6虚线框内所示。输出电压峰值u0=±311 v经比例k1（k1=1/62.2）缩减后，使之变为u0′=±5 v与标准正弦波电压相减，偏差信号由PI调解器进行调节（参数分别为k2=1,k3=0.52）。由于输出电压在达到稳定前波动较大，故加入了限幅环节（-1~+1），将其作为调制波。在SimPowerSystems工具箱中取出PWM Generator，调制波接到设置为External的PWM发生器的输入端子，便可实现输出逆变器所需的SPWM控制信号。

4 仿真结果

1）图7为负载电阻R1=15 Ω时的输出电压波形，电压在0.04 s就可达到稳定。

2）图8是在0.05 s突加干扰信号时的电压波形，由于PI控制器的作用，输出在0.07 s后重新达到稳定。

比较可知，此逆变系统输出电压波形响应迅速，无不良畸变，突加干扰时系统抗干扰能力强。

图7 R1=15时输出电压波形

图8 在0.05 s突加干扰信号时输出电压波形

图9 前级逆变控制电路

5 小风电逆变控制系统电路设计

图9为逆变控制电路，即110V DC逆变为高频矩形波交流电的控制电路。由TL494与IR2110构成。TL494是美国德克萨斯州仪器公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器，被广泛应用于开关电源中。IR2110是IR公司设计的驱动集成电路芯片。该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术,大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求,同时提高了驱动电路的可靠性[13]。电路通过TL494控制PWM1和PWM2的占空比,来得到脉宽可调的矩形波交流电压。由于输出的PWM信号还不足以直接驱动IGBT,所以接入IR2110放大PWM信号,驱动2个IGBT。

图10 正弦波逆变控制电路

图10为正弦波逆变控制电路，主要由PWM控制芯片SG3525A、与门SN7408N和非门74LS05N组成[14]。该控制电路的核心是SG3525A，误差放大器的输入信号分别为电压反馈信号和整流后的采集信号。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。11脚与14脚产生两路信号，此信号作为载波与双半正弦调制波经过与门SN7408N和非门74LS05N后可输出四路SPWM波，用来驱动四个IGBT，完成正弦波逆变。

由于本文主要研究逆变系统的控制，为降低成本，控制电路由独立芯片搭建来完成相应的控制要求。如果要对整个小型风电系统进行实时控制，若采用具有高速运算能力与丰富的片上资源DSP作为控制器，系统在控制性和稳定性上将有很大的改善[15]。

6 结语

本文介绍了主电路结构选型，使用MATLAB/Simulink建立仿真模型来进行仿真，并对仿真结果进行了分析研究。研究结果表明采用电压瞬时值反馈控制，系统可以在0.04 s就可达到稳定，在加入干扰信号后也具有一定的抗干扰能力。按照所选取的参数进行的仿真结果表明系统具有较好的动态性能和稳态性能，获得了较理想的波形输出。

基于芯片IR2110、TL494及SG3525A搭建的硬件控制电路具有控制简单、能耗低、工作稳定等优点，在低成本的基础上能够满足系统需求。

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